jvm.go -- 设计和实现

jvm.go

jvm.go是一个完全用Go语言实现的JVM，关于这个项目的发起原因和简单介绍可以看这篇文章。

最新进展和下一步计划

jvm.go的开发已经进行了一个半月了，除了HelloWorld和一些简单的Java代码以外，JUnit也可以正常运行了。下一步的计划是在jvm.go上把Jetty跑起来。下面介绍一下jvm.go的一些关键部分的设计和实现。

目录结构

• jvmgo jvm的go语言实现
  
  • cmdline 这个包用来解析java命令行参数
  • classfile 这个包把[]byte转化成ClassFile结构
  • classpath 这个包实现了class文件查找
  • native rt.jar里的本地方法实现
  • jvm jvm核心功能
    • instructions 指令集
    • rtda 运行时数据区（Runtime Data Area），线程、堆栈、栈帧等都在这个包里
      • class 类和对象（以及数组）等在这个包里
        
• testclasses 用来测试jvm的Java代码，Gradle项目

核心JVM

实现核心JVM其实是相对比较简单的，对照着JVM规范，把Thread、Frame、Operand Stack、Local Vars、Class、Object、Array、指令集等一一实现就可以了。下面以FrameStack和OperandStack为例，简单介绍一下：

type Stack struct {
	maxSize uint
	size    uint
	_top    *Frame // stack is implemented as linked list
}

type OperandStack struct {
	size  uint
	slots []Any
}

FrameStack是用链表（LinkedList）实现的，OperandStack内部其实用了Slice。

指令集

为了更好的代码可读性，每一个指令都实现成一了个struct，下面是iinc指令的完整代码：

package instructions

import "jvmgo/jvm/rtda"

// Increment local variable by constant
type iinc struct {
	index  uint
	_const int32
}

func (self *iinc) fetchOperands(decoder *InstructionDecoder) {
	self.index = uint(decoder.readUint8())
	self._const = int32(decoder.readInt8())
}

func (self *iinc) Execute(frame *rtda.Frame) {
	localVars := frame.LocalVars()
	val := localVars.GetInt(self.index)
	val += self._const
	localVars.SetInt(self.index, val)
}

因为大部分指令都是需要操作OperandStack和／或LocalVars的，所以指令的Execute方法参数设计接收为*Frame类型的参数：

type Instruction interface {
	fetchOperands(decoder *InstructionDecoder)
	Execute(frame *rtda.Frame)
}

类库和本地方法

最初开始写jvm.go的时候，用的是OpenJDK的rt.jar。但是因为要经常查看rt.jar的Java代码，用IDE可以直接跳进Oracle JDK的rt.jar代码里。所以为了方便，后来就改为针对Oracle的rt.jar进行开发。rt.jar里有几千个本地方法，目前为止，只实现了不到100个。下面是本地方法的类型定义：

type NativeMethod func(frame *rtda.Frame)

垃圾回收

Go本身就是垃圾回收语言，所以jvm.go没有单独实现垃圾回收机制。

线程

jvm.go把每个Java线程都映射为一个goroutine，下面是Thread.start0()本地方法的实现代码：

// private native void start0();
// ()V
func start0(frame *rtda.Frame) {
	vars := frame.LocalVars()
	this := vars.GetThis()

	newThread := rtda.NewThread(this)
	runMethod := this.Class().GetInstanceMethod("run", "()V")
	newFrame := newThread.NewFrame(runMethod)
	newFrame.LocalVars().SetRef(0, this)
	newThread.PushFrame(newFrame)

	this.LockState()
	this.SetExtra(newThread)
	this.UnlockState()

	go interpreter.Loop(newThread)
}

总结

jvm.go已经有了很大的进展，但是离完整的JVM实现还差的很远。希望对Java和JVM，或者Go语言感兴趣的朋友可以review代码，甚至贡献代码。希望jvm.go有朝一日能够成为一个正真的jvm，一个有用的jvm

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